Raspberry Pi NTP Server

Configurarea Raspberry Pi ca server NTP folosint NEO-7M

Un server NTP asigura sincronizarea corecta a orei pentru toate dispozitivele dintr-o retea, prevenind erori în loguri, autentificari sau servicii care depind de timp precis. Folosind un modul GPS cu PPS, un Raspberry Pi poate deveni o sursa Stratum‑1 foarte stabila și independenta de internet. Acest proiect prezinta configurarea unui astfel de server NTP simplu și fiabil pentru uz local.

Configurare UART și activare PPS

Pe Raspberry Pi, consola seriala este activa implicit, ceea ce blocheaza utilizarea interfetei UART pentru modulul GPS. Pentru a putea folosi portul serial și semnalul PPS, este necesara dezactivarea consolei și activarea manuala a suportului UART și PPS.

Dezactivarea consolei seriale

Pentru dezactivarea consolei seriale editam fisierul /boot/firmware/cmdline.txt de unde stergem segmentul care contine consola, de obicei ceva de forma:

console=serial0,115200

Lasam restul liniei pe un singur rand, exact cum era.

Verificarea activarii UART

Editam fisierul /boot/firmware/config.txt unde ne asiguram ca exista:

[all] enable_uart=1

Activarea modulului PPST

Incarcam modulul PPS executand:

echo 'pps-gpio' >> /etc/modules

Pentru configurarea pinului PPS (GPIO 18) editam din nou fisierul /boot/firmware/config.txt iar in partea de jos adaugam:

dtoverlay=pps-gpio,gpiopin=18

Aceasta indica kernelului ca semnalul PPS este conectat la GPIO 18.

Dupa ce efectuam aceste modificari, oprim systemul in vederea conectarii modului de GPS.

Conectarea modului GPS

Dupa dezactivarea consolei seriale și activarea suportului PPS, interfața UART a Raspberry Pi devine libera pentru comunicarea cu modulul GPS. Conectarea se face direct pe pinii GPIO, folosind alimentarea de 5V, masa comuna și liniile de date RX/TX, plus semnalul PPS.

Schema de conectare

Pagina Pringipala UrBackup

• Conectam pinul de 5V al Raspberry Pi la pinul de alimentare al modulului GPS.
• Conectam GND la masa modulului GPS.
• Conectam TX0 de pe Raspberry Pi la RX al modulului GPS (Pi transmite → GPS primește).
• Conectam RX0 de pe Raspberry Pi la TX al modulului GPS (GPS transmite → Pi primește).
• Conectam GPIO 18 la pinul PPS al modulului GPS, conform configurarii din config.txt

Test pentru UART si PPS

Dupa conectarea modulului GPS si configurarea UART/PPS, putem verifica functionarea celor doua interfete direct din sistem.

Test UART (NMEA)

Pentru a verifica daca modulul GPS transmite date NMEA prin UART:

cat /dev/serial0 $GNRMC,140221.00,A,4423.43286,N,02605.77991,E,0.096,,250226,,,A,V*14 $GNVTG,,T,,M,0.096,N,0.178,K,A*3C $GNGGA,140221.00,4423.43286,N,02605.77991,E,1,10,2.11,105.1,M,34.9,M,,*44 $GNGSA,A,3,10,23,15,29,16,26,27,18,,,,,3.30,2.11,2.54,1*00 $GNGSA,A,3,02,25,,,,,,,,,,,3.30,2.11,2.54,3*07 .............

Acest rezultat confirma faptul ca Pi-ul primeste date GPD de la modul Daca totul este configurat corect, ar trebui sa apara siruri NMEA. In cazul in care nu apare asemenator mai sus, verificati conexiunile RX/TX si setarile UART.

Instalare unelte PPS si testare

Pentru testarea semnalului PPS, instalati pachetul necesar:

• apt install pps-tools

Dupa instalare, verificam semnalul PPS:

ppstest /dev/pps0 trying PPS source "/dev/pps0" found PPS source "/dev/pps0" ok, found 1 source(s), now start fetching data... source 0 - assert 1769914968.660167945, sequence: 330 - clear 0.000000000, sequence: 0 source 0 - assert 1769914969.660165119, sequence: 331 - clear 0.000000000, sequence: 0 source 0 - assert 1769914970.660164293, sequence: 332 - clear 0.000000000, sequence: 0

Un rezultat corect va afisa impulsuri detectate la fiecare secunda.

Configurare gpsd

Instalam pachetele necesare pentru gestionarea modulului GPS:

• apt install gpsd gpsd-clients

Startup config pentru gpsd

Editam fisierul de configurare gpsd:

# nano /etc/default/gpsd START_DAEMON="true" DEVICES="/dev/serial0 /dev/pps" GPSD_OPTIONS="-n" USBAUTO="false" GPSD_SOCKET="/var/run/gpsd.sock"

• START_DAEMON -> Porneste automat serviciul gpsd la boot. Daca este "false", gpsd nu se lanseaza singur.
• DEVICES -> Aceasta linie indica gpsd sa deschida doua dispozitive simultan
  • /dev/serial0 → fluxul NMEA provenit de pe UART (datele GPS clasice: GGA, RMC, sateliti etc.)
  • /dev/pps → semnalul PPS hardware folosit pentru sincronizare precisa la nivel de secunda
• GPSD_OPTIONS -> Porneste gpsd chiar daca nu exista clienti conectati. Fara "-n", gpsd asteapta un client inainte sa initializeze modulul GPS.
• USBAUTO -> Dezactiveaza detectarea automata a dispozitivelor GPS USB; necesar cand folosim un modul pe UART.
• GPSD_SOCKET -> Definește socket-ul UNIX prin care aplicatiile (cgps, chrony etc.) comunica cu gpsd.

Repornim serviciul executand:

• service gpsd restart

Testare gpsd

Testam functionarea modulului GPS:

# cgps -s to be added

Configurarea serverului NTP

Acest server foloseste un modul GPS cu suport PPS pentru a furniza timp de inalta precizie, transformand sistemul intr-o sursa NTP stratum 1. In pasii urmatori configuram Chrony astfel incat sa foloseasca exclusiv GPS si PPS ca referinte de timp.

Instalare Chrony

Inainte de instalare ne asiguram ca sistemul foloseste un singur serviciu NTP (Chrony va deveni sursa principala).

• apt install chrony

Verificarea surselor NTP initiale

# chronyc sources to be added # chronyc tracking to be added

chronyc sources afiseaza sursele NTP publice pe care sistemul le foloseste implicit, inainte de configurarea GPS‑ului. chronyc tracking arata ca sistemul functioneaza momentan ca stratum 3, fiind doar un client NTP obisnuit.

Editare configuratie Chrony

In aceasta etapa eliminam sursele NTP publice si configuram Chrony sa foloseasca exclusiv GPS (NMEA) si PPS ca referinte de timp. Ajustam parametrii de corectie initiala si stabilim PPS ca sursa principala, astfel incat serverul sa poata functiona ca stratum 1. Rezultatul final este un server NTP autonom, sincronizat direct din semnal GPS cu precizie sub‑microsecunda.

# nano /etc/chrony/chrony.conf #pool 2.debian.pool.ntp.org iburst makestep 0.1 -1 initstepslew 1.0 GPS # GPS serial time (NMEA) refclock SHM 0 delay 0.2 refid GPS poll 4 noselect # PPS precise time refclock PPS /dev/pps0 refid PPS lock GPS poll 4 prefer

• 2.debian.pool.ntp.org este serverul NTP public folosit initial de catre chrony
• makestep permite corectii mari de timp atunci cand diferenta este prea mare pentru slew. Modificam din initialul "makestep 1.0 3" pentru a permite corectii oricand, cu limita mai mica.
• initstepslew corecteaza timpul la boot daca diferenta fata de GPS este mai mare de 1 secunda.

refclock SHM (NMEA)

NMEA este fluxul de timp citit din GPS prin gpsd și expus către Chrony printr-un segment SHM (shared memory). Acest semnal conține ora completă, dar are o întârziere naturală de aproximativ 200 ms și o precizie relativ slabă. Îl folosim cu noselect pentru că nu vrem ca NMEA să fie sursa principală de timp; rolul lui este doar să ofere context temporal pentru PPS, astfel încât impulsul PPS să poată fi „legat” corect de ora GPS.

refclock PPS

PPS este semnalul hardware de precizie foarte mare (sub‑microsecundă), generat o dată pe secundă de modulul GPS. Spre deosebire de NMEA, PPS nu conține ora, ci doar impulsul exact, motiv pentru care îl „blocăm” pe GPS (lock GPS) pentru a-i oferi contextul temporal. Îl marcăm ca prefer deoarece PPS trebuie să fie sursa principală de sincronizare, fiind cea mai precisă referință disponibilă.

Dupa salvarea noii configuratii restartam chrony

• service chrony restart

Verificarea surselor NTP adaugate

# chronyc sources to be added # chronyc tracking to be added

Dupa aplicarea configuratiei, Chrony incepe sa renunte la sursele NTP publice si sa foloseasca exclusiv GPS si PPS. In primele secunde, chronyc sources poate arata doar GPS, iar PPS apare abia dupa ce semnalul devine stabil. Pe masura ce PPS este validat si blocat pe GPS, chronyc tracking trece automat de la stratum 3 la stratum 1, confirmand ca serverul functioneaza acum ca o sursa autonoma de timp de inalta precizie.

Configurarea serverului pentru acces LAN

După ce serverul NTP funcționează corect pe GPS + PPS și a devenit stratum 1, următorul pas este să îl facem disponibil în rețeaua locală. Practic, permitem dispozitivelor din LAN să folosească acest server ca sursă principală de timp. Chrony nu răspunde implicit către rețea, așa că trebuie să activăm explicit accesul pentru subnetul nostru.

# nano /etc/chrony/chrony.conf allow 192.168.1.0/24

După restart, Chrony ascultă pe toate interfețele pentru UDP 123, fiind gata să răspundă clienților din LAN.

# netstat -tulnp to be added